Regulatorische Module innerhalb des σs-Netzwerkes in Escherichia coli

Abstract

σs ist ein Sigmafaktor der RNA Polymerase und aktiviert die Expression von Genen der generellen Streßantwort in Escherichia coli. Über viele Jahre hinweg wurden Gene des σs-Netzwerkes identifiziert, aber der volle Umfang σs- abhängiger Gene sowie die Details ihrer Regulation blieben weitgehend unklar. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifizierung aller σs-abhängigen Gene in E. coli mittels globaler Transkriptionsanalyse und die Bestim­mung von regulatorischen Untergruppen im σs-Netzwerk. Ausgehend von den Ergebnissen der globalen Transkriptionsanalyse sollten σs-abhängige Gene mit regulatorischer Funktion identifiziert und die durch diese Faktoren kontrollierten Gene sowie die Details ihrer Regu­lation bestimmt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden mittels globaler Transkriptionsanalyse (Microarray­analyse) die Gene des σs-Netzwerkes in E. coli identifiziert. Der Wildtypstamm MC4100 wurde mit der isogenen rpoS Mutante unter drei verschiedenen σs-Aktivität in­duzierenden Wachstumsbedingungen (Übergang in die stationäre Phase, osmotischer Streß, Säurestreß) verglichen. Insgesamt zeigten 481 Gene σs-Abhängigkeit unter mindestens einer Wachstums­bedingung. Davon waren 140 Gene σs-abhängig unter allen drei getesteten Be­dingungen, weshalb sie auch als 'Kerngene' der generellen Streßantwort bezeichnet wurden. In den Pro­motorregionen der Kerngene konnte das bereits zuvor beschriebene DNA-Konsensusmotiv der -10 Erkennungsregion von σs gefunden und anhand dieser Daten die Sequenz des Motivs genauer definiert werden.

Mit den Kerngenen ydaM und yciR wurden erstmalig GGDEF/EAL-Proteine und damit das bakterielle Signalmolekül cyclisches di-Guanosinmonophosphat (c-di-GMP) als Komponen­ten im σs-Netzwerk identifiziert. YdaM und YciR regulieren in antagonistischer Weise die Expression von aggregativen Fimbrien (Curli). Dabei wirkt YdaM positiv und YciR ne­gativ auf die Transkription von csgD, dem zentralen Aktivator der Curliexpression. Untersuchun­gen in vitro bestätigten, daß YdaM eine Diguanylatcyclase (synthetisiert c-di-GMP) bzw. YciR eine Phosphodiesterase (degradiert c-di-GMP) ist. Microarrayanalysen definierten YdaM und YciR als spezifische Regulatoren der Curliexpression und nicht als Globalregula­toren. Für MlrA, einem weiteren σs-abhängigen Aktivator der Curliexpression, wurde die Bindestelle in der stromaufwärts gelegenen DNA- Region von csgD auf einen Bereich von un­gefähr 40 Basenpaaren eingegrenzt. Insgesamt bilden die Regulatoren YdaM, YciR, MlrA und CsgD sowie die Curlistrukturgene ein regulatorisches Modul im σs-Netzwerk.

Als ein weiteres regulatorisches Modul im σs-Netzwerk wurden Gene der Säure­streßantwort (gadA, gadBC, hdeAB, hdeD, slp, ybaS, ybaT, yhiM) und andere, sowie deren Regulatoren GadX, und GadE identifiziert. Es konnte gezeigt werden, daß gadE (der zentrale Re­gulator der Glutamat-abhängigen Säurestreßantwort in E. coli) ein σs\- und GadX-abhängiges Gen ist. Außerdem wurden weitere σs-, GadX- und GadE-abhängige Gene, die bisher nicht im Zusammenhang mit der Säurestreßantwort standen, bestimmt und dem Säurestreßmodul im σs-Netzwerk zu­geordnet. Die Gene des Säurestreßmoduls konnten aufgrund unterschiedlicher GadX- und GadE-Abhängigkeit in regulatorische Untergruppen eingeordnet werden. Dabei wurde eine Gruppe von Genen definiert, die nur GadX- aber nicht GadE-abhängig exprimiert wird und zwei weitere Gruppen, die in unterschiedlicher Weise durch GadX und GadE reguliert werden. Das Säurestreßmodul zeigt damit eine komplexe Binnenregulation, die erstmalig in dieser Form gezeigt wurde.

σs is a sigma factor of RNA Polymerase activating the expression of the general stress response genes in Escherichia coli. Genes belonging to the σs network were identified over many years, but the total number of σs dependent genes and the details of their regulation remained still widely unknown. The goal of this work was the identification of all σs dependent genes by global transcription analysis and the determination of regulatory subgroups within the σs network. On the bases of the results of the global transcription analysis, σs dependent genes with a regulatory function should be identified and the genes controlled by these factors and the details of their regulation further examined.

In this work the genes belonging to the σs-network in E. coli were identified by global transcription analysis (microarray analysis). The wild type strain MC4100 was compared with its isogenic rpoS Mutant under three different growth conditions (transition into stationary phase, osmotic upshift, acid stress) triggering σs activity. Altogether 481 genes showed σs dependence under at least one of these conditions. Among these, 140 genes displayed σs-dependence under all three conditions tested and therefore were designated as the 'core genes' of the general stress response. Within the promoter regions of the core genes, the previously described DNA consensus motif of the -10 recognition site of σs was identified. On the basis of this data the consensus motif was defined with higher accuracy.

Finding the core genes ydaM and yciR, for the first time GGDEF/EAL proteins and the bacterial secondary messenger cyclic di-guanosine monophosphate (c-di- GMP) were identified as components of the σs network. YdaM and YciR antagonistically control the expression of curli fimbriae where YdaM acts positivly and YciR negativly on the transcription of csgD, the central regulator of curli expression. In vitro analysis confirmed YdaM as a Diguanylatecyclase (synthesizes c-di-GMP) and YciR as a Phosphodiesterase (degrades c-di-GMP). Microarray analysis defined YdaM and YciR as specific regulators of curli expression instead of global regulators. For MlrA, another σs-dependent activator of curli expression, a binding site within the DNA upstream region of csgD was narrowed down to a range of approximately 40 basepairs. Overall the regulators YdaM, YciR, MlrA and CsgD together with the curli structural genes form a regulatory module within the σs network.

The genes of the acid stress response (gadA, gadBC, hdeAB, hdeD, slp, ybaS, ybaT, yhiM) and others, together with their regulators GadX and GadE were identified as another regulatory module within the σs network. It was shown that gadE (the central regulator of the glutamic acid dependent acid resistance in E. coli) is a σs and GadX dependent gene. Additional σs , GadX and GadE dependent genes, not considered as part of the acid stress response until now, were assigned to the acid stress module within the σs network. The genes of the acid stress module were categorized as distinct regulatory subgroups, according to differential dependence on GadX and GadE. One regulatory group consists of genes controlled by GadX solely, two other groups of genes are controlled by GadX and GadE in differing extent.